銀河団における銀河とプラズマの宇宙論スケールでの相互作用

What is RESCEU (Research Center for the Early
Universe; ビッグバン宇宙国際研究センター) ?
K. Makishima, Director
² Established in April 1999, and run on university budget.
² The successor to a more informal organization with the
same name, selected in 1995 by the MEXT Center-ofExcellence (COE) program.
² To understand the universe through three domains,
namely, baryons, dark matter, and dark energy.
�
1
�
The RESCEU Projects�
RESCEU�
Clusters
of Gal’s
GRBs
Structure
Formation
(6)Direct
for Dark
(8)Research
StudySearch
ofusing
Extra-Solar
(7)
Space(1)
Very
Early
Universe
(3)Formation
and
Evolution
(2)
Theory
of
Galaxy
Matter
and
Solar
Axions
(4)
Submillimeter-Wave
(5)Search
Planets
� for Gravitational
Early
Borne
Instruments
(obs/exp)�
and
Large
Scale
Structure
of Galaxies
Univ. &
Evolution
� and
(experimental)
� Clusters
Observations
(ALMA
Waves
(Kagra
exp.)� of
(Theory)�
Galaxies (Subaru
obs.)�
observations
+ experimental)�
Inflation
1. 横山, 細川, 須山, 吉田
2. 茂山, 戸谷
5. 安東
3. 嶋作, 土居
6. 蓑輪
4. 山本, 河野
Gr.
Waves
7. 牧島, 平賀, 中澤
8. 須藤、田村
Time�
銀河団における銀河とプラズマの
宇宙論スケールでの相互作用
牧島一夫a,b,c、Gu Liyi (顧力意)b
a) 東大/理学系/物理
b) 東大/ビッグバンセンター
c) 理研MAXIチーム
z =0.1∼0.9の34個と、 z =0∼0.5の250
個の銀河団を、可視光とＸ線とで観測し
た結果、メンバー銀河が宇宙年齢かけ、
銀河団の中心へ落下してきたことを突き
止めた。これは運動する銀河たちが高温
プラズマと磁気流体的に相互作用する結
果と考えられる。それに伴い大量のエネ
ルギーが輸送されていることになる。�
2014/3/24
SKA workshop at UT
Gu+ ApJ 767,
157 (2013)
牧島+, 天文月報
2013/12
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1. 銀河団 (CLG) の主要３成分
《暗黒物質》《銀河》
《ICM,高温プラズマ》
全質量の 12%
◆  全質量の 3%
◆  kTe = 2
15 keV
◆  全質量の 85%
◆  遷音速 (数百 km/s) ◆  Ｘ線のみで検出
◆  銀河に対応した
でランダム運動
◆  重力閉込。しかし最
サブ構造あり
も広がっている
◆  最も中心に集中
◆  H + He + 重元素
◆ 
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SKA workshop at UT
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2. CLGのに関する一連の謎
Q1: 近傍CLGでは、なぜ銀河たちはDMやICMより強く中心
に集中するのか？中心部で銀河形成が盛んだった？
Q2: ICMの周辺まで一様に分布する大量の重元素は、銀河か
らどう輸送されたのか？外向きの物質輸送には、巨大
なエネルギーが必要。
Q3: 何がCooling Flow (CF) を阻止し、さらにICMをDMよ
り広範囲に分布させているか?
•  ICMは宇宙年齢で冷えCFを形成するとされた (Fabian+94).
•  「あすか」による観測でCFの存在を否定 (Makishima+01).
•  何がICMを加熱しているか？超新星では１桁も不足。
Q4: ICM中に見られる温度勾配は、どうやって維持される？ CFは存在しないが、銀河団中心部では普遍的に、ICMの温度が
周辺の∼1/2に低下。単なる放射冷却では、熱的に不安定。
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3. 我々の仮説
低温 ICM phase
高温 ICM phase
磁力線
銀河運動
Reconnection
(Makishima+01)
• cD銀河は大きな磁気圏をもち、低温ICMをその内部に閉じ込める
(水色)。これがCFと誤認された。周囲とは磁力線で断熱。
• 開いた磁力線部(橙)は高温ICMで満たされ、熱伝導で等温。
• 他の銀河はビリアル速度で運動。ICMから抵抗を受け、磁気再結
合などにより、力学的エネルギーと大量の重元素をICMに渡す。
• 銀河たちが力学的エネルギーのfractionを宇宙年齢かけてICMに
渡せば、ICMの放射冷却を阻止するのに十分な熱源となる。
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プラズマ中では放っておいても磁場ができる
電流
円筒状プラズマのポロイダルβ
β-1 (磁気energy)/(熱energy) = (v/w)2・(ωt)2
(Makishima, Plasma Phys. Control. Fusion 39, A15; 1997)
v：電子とイオンの軸方向の速度差 w：電子の熱速度
ω : プラズマ周波数； e.g. 1 kHz for n=10-3 cm-3
t : 円筒のLight crossing時間； e.g. 103 s ( 1 au)
たとえ v/w =10-6 でも β ∼1
→電子とイオンの質量の非対称性により、すべて
の大規模宇宙プラズマは磁化されている
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4. 仮説検証への道
(4-1) 予備的な成果
•  CLGの中心ではICMが高温/低温の２相からなり(Takahashi
+09)、低温相の重元素組成が高いことを発見
(Gu+12)。
•  銀河が、ICM中の重元素より中心集中することを発見
(Kawaharada+09)。銀河が重元素をICMに撒き散らしつつ落下した。
(4-2) 詰めの作業
過去
現在
•  遠方CLGに比べ、近傍CLGでは、
銀河がより中心に集中すること
2
2
を観測から実証する。
3
•  可視光データに加え、Ｘ線データ
3
でICMの分布も測り基準に使う。
•  サンプル I：z=0.11 0.89の34個のCLG。UH88望遠鏡で多色
測光観測を実施(稲田直久が主導)。Ｘ線は公開データを利用。
•  サンプルII：中国研究者の協力でSDSSの２次処理データを入手。
z= 0 0.5 の250個のCLG。
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5.観測結果 (5-1) 観測天体の例
光画像にＸ線の強度を青で重ね、認定されたメンバー銀河には丸印。
z∼0.1 の銀河団
光はＸ線
より集中
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可視光強度
Ｘ線強度
z∼0.5 の銀河団
光とＸ線がほぼ同じ分布
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(5-2) 可視光とＸ線のデータの比較例
Optical Surface Brightness
★ 可視光 Data
(incl. Background)
ICM 密度分布
from X-ray Data
◆
Integrated
2D 質量分布
RXJ 1044
Z=0.13
(nearby)
M(R)�
oﬀset
L(R)�
bkgd
RXJ 0030
Z=0.50
(distant)
bkgd
規格化 2D 半径 R
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規格化 3D半径 r
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規格化 2D半径 R
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(5-3) 銀河, ICM, 全重力質量の動径分布
(積分銀河光)/(積分ICM質量)
の動径分布
(積分銀河光)/(全重力質量)
の動径分布
z=0.11-0.22 (9)
z=0.22-0.45 (16)
z=0.45-0.89 (9)
R500で規格化した2D半径 r
Gu et al., Astrophys J. 767, id.157 (2013)
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銀河の個数/高温ガスの質量
(5-4) サンプル I, II の比較
サンプル I
z = 0.4-0.9 (9個)
z = 0.2-0.4(16個)
z = 0.1-0.2 (9個)
サンプル II
z = 0.22-0.5
z = 0.08-0.22
z = 0-0.08
規格化された２D半径
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6. 考察•議論
(6-1) データ解析結果の信頼性
Gu+13 各種の系統誤差や競合疑似効果を評価。どれも効かず。
(6-2) Dynamical friction (DF) の可能性
•  銀河団空間が真空でも、重力によるDFは効く。
•  ICM中の重元素が一様に周辺まで分布することは、説明可能。
But
•  観測大質量銀河も矮小銀河も同様に落下。DFのみではダメ。
•  CFは抑制できない。ICMがDMより広がることも、説明不可。
•  銀河とICMが強く相互作用していると考えるべき。
(6-3) そもそもICMが銀河に力を及ぼしうるか？
•  流入する磁化ICMの動圧で、銀河のISMが銀河のポテンシャル
中心から少し変位èISMが星+DMを重力で引張る。
(動圧が大きすぎるとISM strippingが起きる)
•  ICM中の磁場が、個々の星の磁気圏と相互作用しうる？超音速
の星風があると、起きない？
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(6-4) 簡単な計算
半径 R で密度 ρ0 の天体が、
密度 ρgの気体中を速度 vで運動する
さい、気体の抵抗で物体がエネルギー
を失う時間スケールは、
τ∼
η-1(ρ0/ρg)(R/v) ρ0�
ρg�
で与えられる。ここに η は天体と遭遇した１個の気体粒子
が実際に散乱される確率。 η=1 なら気体にとって運動物体
は「不透明」、η=0 なら「スカスカ」。
銀河団において、個々の銀河を R 20 kpc, v 5e7 cm/s,
ρ0 (2e11 Msun)/(4πR3/3) 5e-25 g/cc とし、ICM は
ρg mp 1e-3 2e-27 g/cc とすると、
τ η-1 (250)(4e7yr)=η-1 10 Gyr 宇宙年齢 (unless η 1)
エネルギーの流れ∼ 4 1044 erg/s ∼ Lx
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(6-5) 意義と波及効果
• 
• 
• 
• 
発想はきわめて単純だが、誰も考えなかった。
超新星爆発を凌ぐ、宇宙で最大級のエネルギーの流れを発見。
２大バリオン成分(銀河とICM)の間に、強い相互作用がある。
銀河の「時間的•空間的な環境効果」の起源は、ICMとの相互
作用にあるのでは。銀河の形態/個数の進化を考える上で重要。
(6-6) SKAへの期待
•  銀河とICMの相互作用èプラズマ乱流や磁気リコネクションè
強い局所電場è団は宇宙最大の粒子加速器か？
•  静穏銀河団から極めて低輝度なシンクロトロン放射が受かる？
(6-7) 今後の見通し
• 
• 
• 
• 
• 
動圧stripping現場の観測 (Gu,Yagi+13, Yagi, Gu+13)。
CLGの他の謎 (過剰エントロピーetc.) への応用。
プラズマシミュレーション研究者とのコラボ。
ASTRO-Hの精密Ｘ線分光でICMの「ひきずり効果」を探査。
同衛星の硬X線/軟ガンマ線装置で銀河団の非熱的信号を探査。
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1.  論文牧島+01, PASJ 53, 401 [111 citations]：仮説提示
i高橋+09, ApJ 701, 377：Two-phase nature in Centaurus
川原田+09, ApJ 691, 971：IMLR drop to 中心部
Gu+12, ApJ 749, id 186：Two-phase nature in Abell 1795
Gu+13, ApJ 767, id 157：Discovery of GLIMR evolution
2.  学会記事
牧島＋池辺：「クーリングフローの終焉」、天文月報2004/1
牧島：「宇宙におけるプラズマ現象と長距離相互作用」、物理学会誌2008/8
牧島, Gu, 稲田：「誰も気づかなかった銀河とプラズマの相互作用、天文月報 2013/12
3.  学会講演 by 牧島
天文：96秋T, 02春T, 03秋T, 04春T, 04秋C, 05春B, 07秋A, 11春T
物理：05秋レビューセッション
4. 国際会議招待講演 by 牧島
IPELS (Interrelationship between Plasma Experiments in
Laboratory and Space): 2001(Niseko) and 2013 (白馬)
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